[发明专利]分析高功率微波气体击穿过程中相频特性的数值仿真方法

说明书

本发明公开了一种分析高功率微波气体击穿过程中相频特性的数值仿真方法。基于时域谱元法，该数值模型耦合了麦克斯韦方程组与流体方程组，通过计算击穿过程中不同时刻下的等离子体层厚度，结合其色散介电常数计算出微波穿透等离子体区域后的相位变化，在器件击穿过程中，可对信号的传输进行相位预测。本发明可以实现对复杂模型进行精确建模，同时保证计算结果的精确；采用谱元法对方程测试展开得到的质量矩阵为块对角矩阵，可以直接求逆从而大大降低计算时间。

技术领域

本发明属于涉及多物理场的电磁特性仿真技术，特别是一种分析高功率微波气体击穿过程中相频特性的数值仿真方法。

背景技术

随着高功率微波源技术的不断成熟，其功率不断提高，辐射电场越来越接近背景气体如气体(日常工作环境下常见的气体介质)、氩气(常用击穿实验分析的阈值较低的惰性气体)、六氟化硫(电绝缘保护气体出于环保原因已较少使用)的击穿阈值。当高功率微波经过气体媒质传播时，一旦电场大于击穿阈值，将加速气体中的种子电子与中性粒子发生雪崩式碰撞电离，当电子浓度急剧上升到一定条件时，引起气体击穿。由此引发的一系列多物理场、强耦合、非线性数学问题与物理现象对电子设备、微波器件以至于通信系统产生不可忽视的影响，在此过程中，产生的不均匀电子层会对微波信息的传输造成影响，因此对微波击穿引起相位改变的研究对系统的工作有重要意义。

用数值仿真的方法研究微波击穿问题，具有突出的优势且十分必要。从科学研究的角度考虑，只有通过理论分析、数值模拟、实验诊断三者相结合的方法，才能对微波电子进行系统的分析，从而揭示参数等对电子状态参数的影响规律。从实际应用的角度考虑，通过数值模拟仿真，往往可以实现对实验难以测量的参数的预测，对变化规律的总结，可以缩短设计研发周期，节约实验成本。

为了描述HPM击穿过程和行为，不同的数值模型被采用。在文献1.C.Qian,D.Z.Ding,Z.H.Fan,and R.S.Chen,“Afluid model simulation of a simplified plasmalimiter based on spectral-element time-domain method,”Physics of Plasmas.,vol.22,pp.032111,2015，基于麦克斯韦和流体方程，利用自恰数值模型来讨论HPM击穿特性。如文献2.P.Zhao,C.Liao,W.Lin,“Numerical studies of the high power microwavebreakdown in gas using the fluid model with a modified electron energydistribution function,”Physics of Plasmas.,vol.18,no.10,2011，用一种改进的电子能量分布函数(EEDF)，从而获得更加准确的输运系数。如文献3.K.Kundrapu,J.Loverich,K.Beckwith,P.Stoltz,A.Shashurin,and M.Keidar,Modeling radio communicationblackout and blackout mitigation in hypersonic vehicles,JournalSpa.Roc.vol.52,no.3,pp.10-2514-1-A33122,May.2015表明利用电磁窗模型，可以有效缓解黑障时的通讯问题。时域谱元法采用六面体单元离散网格，可以很好地逼近待求解目标的外形结构，所生成的质量矩阵为对角阵，求逆过程简单，计算时间较短，在分析微波击穿这一类多物理场、非线性问题方面具有较大的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分析高功率微波气体击穿过程中相频特性的数值仿真方法，该方法考虑了微波击穿过程中压力张量项、对流扩散项和洛伦兹力项的作用，准确得到击穿过程中的电子密度的分布，结合色散媒质公式，得到信号穿透电子层后的相位改变大小，由于方法采用的时域谱元法，因此可以在保证结果精确度的情况下降低研发成本，为信号的接收提供参考。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：